2024年第51卷第9期文章目次
2024, 51(9):1-10.
DOI: 10.12177/emca.2024.095
摘要:
以船舶无刷相复励同步发电机为研究对象。首先，介绍了其工作原理与励磁特性，推导了相复励输出电流计算式；然后，针对发电机调节特性无法全补偿励磁装置输出特性的问题，设计了合适的励磁电流过补偿系数，通过与分流电阻独特的工作机制相配合来实现端口电压的稳定；其次，根据该设计方案给出了主要元件参数的计算方法，并建立仿真模型，在稳态和动态两种负载工况下进行仿真验证；最后，根据已有电机参数与所提设计方案制造了一台25 kVA试验样机，试验结果表明所设计的可控励磁系统能够通过控制分流电阻的通断调整励磁电流大小，随着负载的波动仍能实现端口电压的稳定。将计算和仿真结果与试验测量结果进行对比分析，计算误差小于1%，验证了推导计算式的有效性；仿真误差小于3.5%，表明模型能够较好地反映样机的稳态与动态特性，验证了过补偿设计方案的合理性。
以船舶无刷相复励同步发电机为研究对象。首先，介绍了其工作原理与励磁特性，推导了相复励输出电流计算式；然后，针对发电机调节特性无法全补偿励磁装置输出特性的问题，设计了合适的励磁电流过补偿系数，通过与分流电阻独特的工作机制相配合来实现端口电压的稳定；其次，根据该设计方案给出了主要元件参数的计算方法，并建立仿真模型，在稳态和动态两种负载工况下进行仿真验证；最后，根据已有电机参数与所提设计方案制造了一台25 kVA试验样机，试验结果表明所设计的可控励磁系统能够通过控制分流电阻的通断调整励磁电流大小，随着负载的波动仍能实现端口电压的稳定。将计算和仿真结果与试验测量结果进行对比分析，计算误差小于1%，验证了推导计算式的有效性；仿真误差小于3.5%，表明模型能够较好地反映样机的稳态与动态特性，验证了过补偿设计方案的合理性。
2024, 51(9):11-23.
DOI: 10.12177/emca.2024.091
摘要:
传统直流微电网协调控制策略在下垂控制中忽略了电源的功率输出边界动态变化对系统的影响，模式切换控制结构复杂且存在非平滑切换的问题。针对此问题，以光储氢直流微电网为研究对象，提出了一种并离网相统一的协调控制策略。首先，提出了一种动态自适应下垂控制策略，通过向基于最小二乘法原理的数据拟合器输入训练数据，拟合输出动态电流边界，实现了自适应调整动态下垂系数及电源运行状态，并简化了传统模式切换过程和控制结构。其次，结合实际工程，提出一种预同步和外环切换控制相结合的改进并离网切换控制策略，有效降低并离网切换过程中的冲击振荡。最后，将自适应下垂控制和改进并离网平滑切换控制融入所提协调控制策略中，进行多源多工况的多种模式切换的仿真。通过仿真验证了所提协调控制策略的有效性。
传统直流微电网协调控制策略在下垂控制中忽略了电源的功率输出边界动态变化对系统的影响，模式切换控制结构复杂且存在非平滑切换的问题。针对此问题，以光储氢直流微电网为研究对象，提出了一种并离网相统一的协调控制策略。首先，提出了一种动态自适应下垂控制策略，通过向基于最小二乘法原理的数据拟合器输入训练数据，拟合输出动态电流边界，实现了自适应调整动态下垂系数及电源运行状态，并简化了传统模式切换过程和控制结构。其次，结合实际工程，提出一种预同步和外环切换控制相结合的改进并离网切换控制策略，有效降低并离网切换过程中的冲击振荡。最后，将自适应下垂控制和改进并离网平滑切换控制融入所提协调控制策略中，进行多源多工况的多种模式切换的仿真。通过仿真验证了所提协调控制策略的有效性。
2024, 51(9):24-32.
DOI: 10.12177/emca.2024.085
摘要:
用于获取锂离子电池正负极开路电势曲线的纽扣电池试验需要对电池进行破坏性拆解，而且试验过程中电池极易受到污染。为解决此问题，提出了一种利用伪参比电极获取锂离子电池正负极相对开路电势曲线的方法。该方法将锂电池外壳作为参比电极，通过小倍率充放电试验直接测得电极与外壳之间的相对开路电势。通过商用钛酸锂电池对所提方法进行试验验证，结果表明利用所提方法计算得到的电池电压和实际测量的电池电压的均方根误差仅为4.2 mV，且在同批次电池上辨识得到的热力学参数随电池容量衰减而减小。试验结果验证了伪参比电极法可在不破坏电池的情况下获取到可信度较高的相对开路电势曲线。
用于获取锂离子电池正负极开路电势曲线的纽扣电池试验需要对电池进行破坏性拆解，而且试验过程中电池极易受到污染。为解决此问题，提出了一种利用伪参比电极获取锂离子电池正负极相对开路电势曲线的方法。该方法将锂电池外壳作为参比电极，通过小倍率充放电试验直接测得电极与外壳之间的相对开路电势。通过商用钛酸锂电池对所提方法进行试验验证，结果表明利用所提方法计算得到的电池电压和实际测量的电池电压的均方根误差仅为4.2 mV，且在同批次电池上辨识得到的热力学参数随电池容量衰减而减小。试验结果验证了伪参比电极法可在不破坏电池的情况下获取到可信度较高的相对开路电势曲线。
2024, 51(9):33-41.
DOI: 10.12177/emca.2024.103
摘要:
为了改善内置式永磁同步电机(IPMSM)无位置传感器控制的低速运行性能，提出了一种基于位置鲁棒观测器的方波式电压注入启动运行控制策略。方波式电压注入法避免了滤波器的使用，提高了系统带宽。在方波注入法的基础上，采用转子位置鲁棒观测器提高系统的抗负载扰动能力。根据实际阶跃式和斜坡式负载扰动以及位置观测误差期望指标，使用极点配置的方法设计了观测器的反馈矩阵参数。通过仿真和试验验证了所提无传感器控制策略的可行性与准确性。
为了改善内置式永磁同步电机(IPMSM)无位置传感器控制的低速运行性能，提出了一种基于位置鲁棒观测器的方波式电压注入启动运行控制策略。方波式电压注入法避免了滤波器的使用，提高了系统带宽。在方波注入法的基础上，采用转子位置鲁棒观测器提高系统的抗负载扰动能力。根据实际阶跃式和斜坡式负载扰动以及位置观测误差期望指标，使用极点配置的方法设计了观测器的反馈矩阵参数。通过仿真和试验验证了所提无传感器控制策略的可行性与准确性。
2024, 51(9):42-50.
DOI: 10.12177/emca.2024.087
摘要:
针对永磁同步电机传统模型预测转矩控制(MPTC)在线计算负担较大的问题，提出了一种MPTC简化策略。通过分析基本电压矢量在定子磁链不同扇区的利用率，舍弃利用率较小的电压矢量，减小备选电压矢量数量。并分析不同转矩误差绝对值下的零电压矢量的利用率，当转矩误差较小时，直接输出零电压矢量；当转矩误差较大时，舍弃零电压矢量，将备选电压矢量最大数量减小至4个。进一步，通过成本函数增加磁链误差约束，有效降低磁链脉动。仿真结果表明，与传统MPTC相比，所提简化控制策略可有效减少MPTC系统遍历次数，减轻计算负担，降低系统开关频率，且控制性能基本相当。
针对永磁同步电机传统模型预测转矩控制(MPTC)在线计算负担较大的问题，提出了一种MPTC简化策略。通过分析基本电压矢量在定子磁链不同扇区的利用率，舍弃利用率较小的电压矢量，减小备选电压矢量数量。并分析不同转矩误差绝对值下的零电压矢量的利用率，当转矩误差较小时，直接输出零电压矢量；当转矩误差较大时，舍弃零电压矢量，将备选电压矢量最大数量减小至4个。进一步，通过成本函数增加磁链误差约束，有效降低磁链脉动。仿真结果表明，与传统MPTC相比，所提简化控制策略可有效减少MPTC系统遍历次数，减轻计算负担，降低系统开关频率，且控制性能基本相当。
2024, 51(9):51-59.
DOI: 10.12177/emca.2024.086
摘要:
传统的磁场定向控制方法需要安装多个相电流传感器和位置传感器，导致系统成本高、体积大且可靠性低。为解决此问题，提出了一种基于单直流母线电流采样的永磁同步电机(PMSM)无位置传感器控制策略。针对传统单直流母线采样方案存在电流重构盲区的问题，提出了矢量移相法。针对PMSM低速无位置传感器控制问题，提出了高频方波注入控制策略。最后，基于Matlab/Simulink平台搭建仿真模型对理论分析进行验证，仿真结果表明所提策略能够有效解决低调制比区域和扇区边界盲区的问题，实现PMSM无位置传感器低速运行控制。
传统的磁场定向控制方法需要安装多个相电流传感器和位置传感器，导致系统成本高、体积大且可靠性低。为解决此问题，提出了一种基于单直流母线电流采样的永磁同步电机(PMSM)无位置传感器控制策略。针对传统单直流母线采样方案存在电流重构盲区的问题，提出了矢量移相法。针对PMSM低速无位置传感器控制问题，提出了高频方波注入控制策略。最后，基于Matlab/Simulink平台搭建仿真模型对理论分析进行验证，仿真结果表明所提策略能够有效解决低调制比区域和扇区边界盲区的问题，实现PMSM无位置传感器低速运行控制。
2024, 51(9):60-69.
DOI: 10.12177/emca.2024.093
摘要:
为实现气体绝缘开关设备（GIS）放电故障诊断并提高诊断正确率，提出了一种基于小波包奇异谱熵和鲸鱼优化算法优化支持向量机（WOA-SVM）的GIS放电故障诊断方法。首先，提取GIS放电时的特高频信号的小波包奇异谱熵作为特征向量；然后，采用WOA寻优找到SVM的最优参数，建立准确的分类模型；最后，通过试验模拟GIS典型的放电故障，采用网格搜索参数的SVM、粒子群优化参数的SVM以及所提的WOA-SVM三种算法对GIS放电故障类型进行识别。结果表明所提的WOA-SVM算法故障识别正确率更高、适应度更好且收敛速度更快。
为实现气体绝缘开关设备（GIS）放电故障诊断并提高诊断正确率，提出了一种基于小波包奇异谱熵和鲸鱼优化算法优化支持向量机（WOA-SVM）的GIS放电故障诊断方法。首先，提取GIS放电时的特高频信号的小波包奇异谱熵作为特征向量；然后，采用WOA寻优找到SVM的最优参数，建立准确的分类模型；最后，通过试验模拟GIS典型的放电故障，采用网格搜索参数的SVM、粒子群优化参数的SVM以及所提的WOA-SVM三种算法对GIS放电故障类型进行识别。结果表明所提的WOA-SVM算法故障识别正确率更高、适应度更好且收敛速度更快。
2024, 51(9):70-79.
DOI: 10.12177/emca.2024.090
摘要:
针对永磁辅助同步磁阻电机(PMA-SynRM)转矩脉动大的问题，提出了一种基于非支配排序遗传算法（NSGA-II）的PMA-SynRM多目标优化设计方法。首先，介绍了PMA-SynRM的基本结构与工作原理；其次，通过构建空气磁障、设计不对称辅助槽对PMA-SynRM转子结构进行改进；然后，通过灵敏度分析选出了对PMA-SynRM优化目标影响较大的参数，通过NSGA-II进行多目标寻优，从生成的Pareto前沿中选择最优拓扑结构；最后，通过有限元软件，对优化后电机与初始电机的转矩性能进行分析。仿真结果表明，基于NSGA-II优化后的PMA-SynRM其性能得到了显著提高。
针对永磁辅助同步磁阻电机(PMA-SynRM)转矩脉动大的问题，提出了一种基于非支配排序遗传算法（NSGA-II）的PMA-SynRM多目标优化设计方法。首先，介绍了PMA-SynRM的基本结构与工作原理；其次，通过构建空气磁障、设计不对称辅助槽对PMA-SynRM转子结构进行改进；然后，通过灵敏度分析选出了对PMA-SynRM优化目标影响较大的参数，通过NSGA-II进行多目标寻优，从生成的Pareto前沿中选择最优拓扑结构；最后，通过有限元软件，对优化后电机与初始电机的转矩性能进行分析。仿真结果表明，基于NSGA-II优化后的PMA-SynRM其性能得到了显著提高。
2024, 51(9):80-89.
DOI: 10.12177/emca.2024.083
摘要:
以用于轨道交通的六相横向磁场磁通切换直线磁悬浮电机（SPTMFFSLMSM）为研究对象。该电机电枢绕组、励磁绕组以及永磁体都在动子铁心上，可同时实现牵引、悬浮与导向。由于SPTMFFSLMSM结构特殊，因此电机散热比较困难，极易引起电机的温升，从而影响电机的运行特性。为解决动子铁心温升严重的问题，设计了一套冷却系统，确保电机正常运行。首先，根据电机的结构建立了三维稳态温度场数学模型，并推导出边界条件；然后，确定电机内部各种材料的热参数，对电机的热源和损耗进行分析，计算得到对应的生热率；最后，采用三维有限元法分析电机在自然散热和强迫水冷下的温度场，并对比两种散热方式下的温度分布。结果表明采用水冷装置降低了动子铁心的温度，验证了所设计冷却系统的有效性和可行性。
以用于轨道交通的六相横向磁场磁通切换直线磁悬浮电机（SPTMFFSLMSM）为研究对象。该电机电枢绕组、励磁绕组以及永磁体都在动子铁心上，可同时实现牵引、悬浮与导向。由于SPTMFFSLMSM结构特殊，因此电机散热比较困难，极易引起电机的温升，从而影响电机的运行特性。为解决动子铁心温升严重的问题，设计了一套冷却系统，确保电机正常运行。首先，根据电机的结构建立了三维稳态温度场数学模型，并推导出边界条件；然后，确定电机内部各种材料的热参数，对电机的热源和损耗进行分析，计算得到对应的生热率；最后，采用三维有限元法分析电机在自然散热和强迫水冷下的温度场，并对比两种散热方式下的温度分布。结果表明采用水冷装置降低了动子铁心的温度，验证了所设计冷却系统的有效性和可行性。
2024, 51(9):90-102.
DOI: 10.12177/emca.2024.089
摘要:
传统开关磁阻电机由于其双凸极定、转子铁心结构以及开关型供电方式会造成强转矩脉动。针对此问题，提出了一种新型低转矩脉动周向错角开关磁阻电机。结合电机结构介绍了其运行机理，并对绕组的电感特性和转矩出力进行了分析。该电机采用内外双定子结构，转子上同时设置内凸极和外凸极，且内、外定子铁心之间以及转子内、外凸极之间在周向上均相互错开一定的角度。内定子极上绕有辅助绕组，可以在主绕组换相期间提供辅助转矩以补偿转矩跌落，从而降低转矩脉动。利用场路耦合联合仿真，分别构建了传统开关磁阻电机与周向错角开关磁阻电机的直接瞬时转矩控制系统，对比两者在匀速运行工况下的转矩脉动情况，结果表明相较于传统开关磁阻电机，周向错角开关磁阻电机的转矩脉动更小，具有良好的转矩脉动抑制效果。
传统开关磁阻电机由于其双凸极定、转子铁心结构以及开关型供电方式会造成强转矩脉动。针对此问题，提出了一种新型低转矩脉动周向错角开关磁阻电机。结合电机结构介绍了其运行机理，并对绕组的电感特性和转矩出力进行了分析。该电机采用内外双定子结构，转子上同时设置内凸极和外凸极，且内、外定子铁心之间以及转子内、外凸极之间在周向上均相互错开一定的角度。内定子极上绕有辅助绕组，可以在主绕组换相期间提供辅助转矩以补偿转矩跌落，从而降低转矩脉动。利用场路耦合联合仿真，分别构建了传统开关磁阻电机与周向错角开关磁阻电机的直接瞬时转矩控制系统，对比两者在匀速运行工况下的转矩脉动情况，结果表明相较于传统开关磁阻电机，周向错角开关磁阻电机的转矩脉动更小，具有良好的转矩脉动抑制效果。
2024, 51(9):103-112.
DOI: 10.12177/emca.2024.082
摘要:
为提升永磁同步电机调速系统中的动态响应性能和抗扰性能，提出了一种改进型超螺旋滑模线性自抗扰控制（STSM-LADRC）策略。该策略利用滑模变结构原理对LADRC中的线性扩张状态观测器（LESO）和线性状态误差反馈（LSEF）控制律进行优化。首先，设计了STSM-LESO，采用STSM控制算法对LADRC中的LESO进行改进，以提高观测器观测性能从而增强控制器的抗干扰能力；其次，利用STSM控制算法代替原有的LSEF控制律，提高控制器的动态响应性能，同时使用tanh函数替换超螺旋滑模算法中的sign函数进一步削弱滑模固有抖振，提高系统的稳定性；然后，使用李雅普诺夫理论对所提控制策略进行稳定性分析；最后，基于Matlab/Simulink仿真平台进行验证。仿真结果表明，与传统的LADRC和其他控制器相比，所提控制策略具备更好的动态响应性能和抗扰性能。
为提升永磁同步电机调速系统中的动态响应性能和抗扰性能，提出了一种改进型超螺旋滑模线性自抗扰控制（STSM-LADRC）策略。该策略利用滑模变结构原理对LADRC中的线性扩张状态观测器（LESO）和线性状态误差反馈（LSEF）控制律进行优化。首先，设计了STSM-LESO，采用STSM控制算法对LADRC中的LESO进行改进，以提高观测器观测性能从而增强控制器的抗干扰能力；其次，利用STSM控制算法代替原有的LSEF控制律，提高控制器的动态响应性能，同时使用tanh函数替换超螺旋滑模算法中的sign函数进一步削弱滑模固有抖振，提高系统的稳定性；然后，使用李雅普诺夫理论对所提控制策略进行稳定性分析；最后，基于Matlab/Simulink仿真平台进行验证。仿真结果表明，与传统的LADRC和其他控制器相比，所提控制策略具备更好的动态响应性能和抗扰性能。
《电机与控制应用》
月刊，1959年创刊
- 主管单位：上海市经济和信息化委员会
- 主办单位：上海电器科学研究所（集团）有限公司
- 刊号：ISSN 1673-6540
- CN 31-1959/TM
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